關(guān)于ZP4000型液壓支架頂梁在不同工況下的強(qiáng)度分析

王 艷

（晉能控股裝備制造集團(tuán)，山西 大同 037010）

引言

我國化石能源儲量相對比較豐富，現(xiàn)在已探明的煤炭資源儲量約為60 000億t，但與此同時我國的消耗總量也比較大。消耗的一次性能源中，煤炭所占比例最大在60%左右，因此需要有效保障煤炭的產(chǎn)量。液壓支架主要對煤礦巷道進(jìn)行支護(hù)，有效保障采煤機(jī)等設(shè)備的正常運(yùn)行與安全。

液壓支架常與采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備聯(lián)合配合使用，液壓支架在支護(hù)巷道的同時，也可作為掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)的軌道，在煤礦的開采中發(fā)揮著重要作用。但是液壓支架在實(shí)際使用過程中也常出現(xiàn)各類故障等問題，尤其是液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)，在承受頂部不同的壓力、沖擊載荷時，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效等故障，因此，針對ZP400型液壓支架頂梁在不同工況下強(qiáng)度展開分析，此分析可用于提高結(jié)構(gòu)承載能力[1]。

1 液壓支架工作原理

礦用液壓支架種類繁多，但其工作原理與結(jié)構(gòu)組成（見圖1）是類似的，一般包括頂梁、底座、支持立柱等結(jié)構(gòu)。液壓支架各動作部件由液壓系統(tǒng)支撐可控制，主要是保證采煤機(jī)、輸送機(jī)等設(shè)備的正常工作，液壓支架可以實(shí)現(xiàn)升、推、降、移等四個動作。

液壓支架上升主要是指頂梁在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下上下移動，頂梁的升降最終與頂板相接觸；推溜是指可借助于液壓支架的推移千斤頂講刮板輸送機(jī)推移一定的距離；當(dāng)液壓支架需要向前移動時，頂梁與頂板會脫離，此時液壓支架有個下降的動作；移架主要是由底座上的推移液壓油缸實(shí)現(xiàn)液壓支架在巷道內(nèi)的移動[2]。

2 頂梁結(jié)構(gòu)

圖1 液壓支架的工作原理

頂梁是鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為剛性頂梁、鉸接式頂梁和可伸縮式鉸接梁。作為大型薄壁結(jié)構(gòu)，采用中間加筋板的方式多結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，如圖2所示為ZP4000型液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)。

圖2 鉸接頂梁結(jié)構(gòu)形式

該液壓支架頂梁為剛性頂梁結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、便于制造等特點(diǎn)。頂板上表面的平整度對液壓支架的支撐能力影響較大，為了提高頂梁的承載能力，通常采用的解決辦法是將頂梁的前端相對后端上翹1°～3°[3]。

3 有限元分析理論

有限元分析法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）在數(shù)學(xué)中是一種求解偏微分方程邊界值的一種方法，其基本原理是通過變分方法，使得誤差函數(shù)的計算結(jié)果能夠達(dá)到最小并且計算結(jié)果穩(wěn)定可靠。該方法穩(wěn)定可靠，計算結(jié)果與實(shí)際數(shù)值相差不大，因此被推廣應(yīng)用于復(fù)雜連續(xù)性的工程力學(xué)的計算之中。

隨著有限元理論的不斷發(fā)展與應(yīng)用，逐步引入了矩陣計算理論，有限元分析方法是將復(fù)雜的連續(xù)體問題離散為單元和節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系的關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)各單元之間的關(guān)系可以用一個剛度矩陣來表示，載荷施加在單元與節(jié)點(diǎn)之上，單元被賦予一定的屬性即可模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)的受載荷情況。有限元分析計算可以整個結(jié)構(gòu)的受載情況，計算結(jié)果可以直觀反應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分布，對于結(jié)構(gòu)力學(xué)等復(fù)雜問題的計算具有重要意義[3]。

采用了美國ANSYS公司的有限元分析軟件Workbench，該軟件具有操作流程簡單、易于使用和學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，對有限元的計算比較可靠，同時處理非線性問題具有明顯優(yōu)勢。使用該軟件分析的操作流程大致可以分為三維模型建立、有限元分析模型建立、計算求解、查看分析計算結(jié)果等步驟[4]。

4 有限元分析模型建立

4.1 三維模型的建立

目前三維建模軟件應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)在技術(shù)比較成熟的軟件包括：UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA等軟件，在此選擇PRO/E軟件建立液壓支架三維模型，為了盡可能真實(shí)頂梁的應(yīng)力分布情況，將液壓支架整體作為分析對象，最后提取頂梁部分的計算結(jié)果。使用PRO/E的原因是可做到參數(shù)化建模的同時，與ANSYS Workbench有良好的兼容性[5]。

4.2 材料屬性

ZP4000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強(qiáng)度為690 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3。三維模型導(dǎo)入Workbench時需對液壓支架各部件之間設(shè)置接觸[6]。

4.3 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格的處理對有限元分析計算結(jié)果影響較大，在不影響計算結(jié)果收斂性的問題下，控制網(wǎng)格大小。采用軟件自主網(wǎng)格劃分方法，設(shè)置網(wǎng)格參考尺寸為40 mm，設(shè)置網(wǎng)格網(wǎng)格畸變系數(shù)為0.9，單元類型設(shè)置為SOLID45實(shí)體單元。

4.4 載荷工況

目前對液壓支架載荷的研究已經(jīng)比較成熟，并形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，在分析該液壓支架時參照國標(biāo)《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》，結(jié)構(gòu)液壓支架實(shí)際受載情況選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉(zhuǎn)工況兩種工況進(jìn)行分析，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明[5]。

5 計算結(jié)果

基于第四強(qiáng)度理論對ZP4000型液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果可直觀了解液壓支架應(yīng)力分布情況，下面分別對兩種工況的計算情況進(jìn)行說明。

5.1 頂梁偏載工況

頂梁在偏載工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果如圖3所示，由應(yīng)力分布情況可知若不考慮墊塊位置的話，頂梁應(yīng)力分布較為對稱，最大應(yīng)力值為553.8 MPa，最大應(yīng)力值位于頂梁左后方，兩個加強(qiáng)筋板交匯位置。頂梁的其他位置應(yīng)力較小，頂梁前半部分蓋板應(yīng)力較小，若考慮動載荷，應(yīng)針對最大應(yīng)力值點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 偏載工況計算結(jié)果

頂梁在偏載工況下，結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)，因此頂梁右側(cè)變形明顯大于左側(cè)，最大變形量為18.81 mm，最大變形位于頂梁右前方。

5.2 頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷

液壓支架在頂梁承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，根據(jù)Workbench計算分析結(jié)果，如下頁圖4所示，由應(yīng)力云圖可知，頂梁在此工況下最大應(yīng)力為509.9 MPa，最大應(yīng)力值位于頂梁底部右前位置與立柱相接觸的區(qū)域，向頂梁兩端依次減弱，其余位置應(yīng)力較小。

頂梁在此工況下根據(jù)其位移分布云圖可知，最大應(yīng)變值為20.25 mm，最大應(yīng)變區(qū)域位于頂梁左前側(cè)，在Y軸與X軸方向頂梁的變形沿著長度方向依次減弱，呈階梯形降低。

5.3 液壓支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)對ZP4000頂梁的有限元分析結(jié)果可知，在兩種工況下頂梁均出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，基于分析結(jié)果對頂梁結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化改進(jìn)方案。改進(jìn)方案為：參照ZP4000型液壓支架實(shí)際結(jié)構(gòu)，為降低頂梁的應(yīng)力集中，可將頂梁中后部的筋板、護(hù)板與側(cè)板等增加到30 mm厚，頂梁前端受力較小，可將鋼板厚度降低至20 mm，其優(yōu)化位置如下頁圖5所示。對頂梁材料的合理優(yōu)化可顯著提高頂梁的承載能力與使用壽命，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要參考意義。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況計算結(jié)果

6 結(jié)論

圖5 頂梁優(yōu)化位置

根據(jù)計算結(jié)果，找到頂梁在工作使用中的薄弱環(huán)節(jié)，并據(jù)此提出優(yōu)化改進(jìn)方案，根據(jù)ZP4000型液壓支架實(shí)際結(jié)構(gòu)，方案建議將頂梁中后部的筋板、護(hù)板與側(cè)板等增加到30 mm厚，頂梁前端受力較小，可將鋼板厚度降低至20 mm，可有效改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中情況，對提高設(shè)備使用壽命具有重要意義。